TWI443963B - And a control device capable of suppressing the residual vibration of a piezoelectric element - Google Patents

Description

能夠抑制一壓電元件之殘餘振動的控制裝置

本發明是有關於一種控制技術，特別是指一種能夠抑制一壓電(piezoelectric)元件之殘餘振動的控制裝置。

倒車雷達設備通常是以一個黏貼有一壓電元件的鋁殼來實現。當一驅動信號傳入倒車雷達設備，壓電元件會因壓電效應轉換出一控制力，來引導鋁殼產生振動並發出一超音波信號。倘若裝設有倒車雷達設備的車輛快觸及一障礙物，倒車雷達設備會收到障礙物因超音波信號所反射的一回波信號，藉以估測車輛和障礙物間的距離，來適時地提醒駕駛人。不過，驅動信號停止之後，壓電元件和鋁殼仍會有殘餘的機械振動(即殘響)，當倒車雷達與障礙物間距離過近時，此殘餘的機械振動訊號會與回波信號相重疊，造成倒車雷達設備無法準確地感測回波信號的位置而失去估測距離的功能。為了縮短倒車雷達設備可估測的最小距離，必須抑制壓電元件殘餘的機械振動。

參閱圖1與圖2，一種能夠抑制一壓電元件1之殘餘振動的控制裝置包含一驅動電路2、一殘響控制電路3及一切換電路4。控制裝置可操作於一工作模式及一非工作模式。在工作模式下，切換電路4將驅動電路2電連接到壓電元件1，驅動電路2輸出一提供弦波形狀電流的驅動信號來驅使壓電元件1產生振動。在非工作模式下，切換電路4將殘響控制電路11電連接到壓電元件1，殘響控制電路3抑制壓電元件1的殘餘振動。壓電元件1在殘餘振動期間，由於壓電效應會流出內電流，此內電流仍保持弦波形狀，只是幅值相形較小。

習知的殘響控制電路3包括一直流電源31及一開關單元32。直流電源31提供一直流參考電壓。開關單元32包括四個開關321~324。在非工作模式下，當壓電元件1的電流為正(即從壓電元件1電連接到開關321、322間之一共同點的一第一端往壓電元件1電連接到開關323、324間之一共同點的一第二端流動)時，開關單元32受控制使得開關321、323導通、開關322、324不導通，從而直流電源31對壓電元件1提供一個相當於正直流參考電壓的電壓，而當壓電元件1的電流為負(即從壓電元件1的第二端往壓電元件1的第一端流動)時，開關單元32受控制使得開關322、324導通、開關321、323不導通，從而直流電源31對壓電元件1提供一個相當於負直流參考電壓的電壓，如此一來，壓電元件1的電流和電壓同相，導致每個週期的消散能量最大化，所以能抑制壓電元件1的殘餘振動。

雖然習知的殘響控制電路3在非工作模式的初期確實能抑制壓電元件1的殘餘振動，但是當壓電元件1的振動幅度降至很小時，直流電源31的能量卻可能透過開關單元32來干擾壓電元件1的振動收斂，甚至導致壓電元件1的振動又再度變大。

另外，Y. P. Liu等人於2009年4月發表的「Velocity-Controlled Piezoelectric Switching Energy Harvesting Device 」論文中揭露了一種能夠從一壓電元件擷取能量的能量擷取裝置。此能量擷取裝置利用一容值相當大的電容性儲能元件來儲存擷取到的能量。

因此，本發明之目的即在提供一種能夠抑制一壓電元件之殘餘振動的控制裝置，可以使壓電元件的殘餘振動順利收斂到實質上靜止。

於是，本發明能夠抑制一壓電元件之殘餘振動的控制裝置包含一電容性儲能元件及一開關單元。該壓電元件應用於具有一等效質量塊的一系統。該開關單元電連接到該電容性儲能元件，及適用於電連接到該壓電元件。該控制裝置可操作於一非工作模式，在該非工作模式下，該開關單元受控制進行切換，以使該壓電元件對該電容性儲能元件進行充電及放電中的至少一者，並將該電容性儲能元件的電壓提供給該壓電元件，以抑制該壓電元件的殘餘振動。該電容性儲能元件具有一容值，該容值足以使得在該非工作模式下，該電容性儲能元件的電壓實質上追隨該壓電元件之殘餘振動幅度的變化，並在該壓電元件之殘餘振動結束後降至實質上為零。該電容性儲能元件的電壓符合下式：

其中，V _DC 是該電容性儲能元件的電壓，n 是該系統的力電耦合係數，F _M 是該等效質量塊所受的外力在共振頻率下的幅度，d 是該開關單元的工作週期。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚地呈現。

第一較佳實施例

參閱圖1與圖3，本發明夠抑制一壓電元件1之殘餘振動的控制裝置之第一較佳實施例包括一驅動電路2、一殘響控制電路3及一切換電路4。控制裝置可操作於一工作模式及一非工作模式。在工作模式下，切換電路4將驅動電路2電連接到壓電元件1，驅動電路2輸出一提供弦波形狀電流的驅動信號來驅使壓電元件1產生振動。在非工作模式下，切換電路4將殘響控制電路3電連接到壓電元件1，殘響控制電路3抑制壓電元件1的殘餘振動。壓電元件1在殘餘振動期間，由於壓電效應會流出內電流，此內電流仍保持弦波形狀，只是幅值相形較小。

壓電元件1具有一第一端及一第二端。殘響控制電路3包括一電容性儲能元件33、一開關單元34、一個二極體35、一電阻36、一電感37、一電流偵測器38及一控制單元39。電容性儲能元件33具有一第一端及一第二端，且在本實施例中是一電容。開關單元34包括依序串聯成環型的一第一開關341、一第二開關342、一第三開關343及一第四開關344。第一與第四開關341、344間的一共同點透過二極體35電連接到電容性儲能元件33的第一端。二極體35能建立從第一與第四開關341、344間之共同點到電容性儲能元件33之第一端的一電流路徑，即二極體35具有一電連接到第一與第四開關341、344間之共同點的陽極，及一電連接到電容性儲能元件33之第一端的陰極。第二與第三開關342、343間的一共同點電連接到電容性儲能元件33的第二端。第一與第二開關341、342間的一共同點依序透過電感37、電流偵測器38及切換電路4電連接到壓電元件1的第一端。第三與第四開關343、344間的一共同點透過切換電路4電連接到壓電元件1的第二端。電阻36與電容性儲能元件33並聯。控制單元39電連接到開關單元34及電流感測器38。

參閱圖3與圖4，在圖4中，波形81說明壓電元件1(見圖1)的電流，波形82說明第一與第三開關341、343的狀態，波形83說明第二與第四開關342、344的狀態，在波形82、83中，高準位表示導通，低準位表示不導通。在非工作模式下，電流感測器38偵測壓電元件1之電流，控制單元39控制開關單元34，在壓電元件1的電流為正(即從壓電元件1的第一端往壓電元件1的第二端流動)時，使第一與第三開關341、343導通、第二與第四開關342、344不導通，而在壓電元件1的電流為負(即從壓電元件1的第二端往壓電元件1的第一端流動)時，使第二與第四開關342、344導通、第一與第三開關341、343不導通，因此，開關單元34受控制進行切換(即第一與第二開關341、342交替導通，第三與第四開關343、344交替導通，且第一與第三開關341、343同時導通)，以使壓電元件1對電容性儲能元件33進行充電，並在壓電元件1的電壓為正時，對壓電元件1提供一個相當於正的電容性儲能元件33電壓的電壓，而在壓電元件1的電壓為負時，對壓電元件1提供一個相當於負的電容性儲能元件33電壓的電壓，以抑制壓電元件1的殘餘振動。

較佳地，在非工作模式下，控制單元39控制開關單元34，使第一與第二開關341、342的導通期間相隔一短暫的預設時間T(為了容易了解，圖4中放大了T)、第三與第四開關343、344的導通期間相隔預設時間T，預設時間T足夠讓電感37將壓電元件1充電到一預設電壓，如此一來，可以降低因開關單元34切換而引起的切換損失。

參閱圖3與圖5，波形84說明電容性儲能元件33的電壓。值得注意的是，殘響控制電路3與Y. P. Liu等人於2009年4月發表的「Velocity-Controlled Piezoelectric Switching Energy Harvesting Device」論文中所揭露的能夠從一壓電元件擷取能量的能量擷取裝置相似，不同之處在於殘響控制電路3的電容性儲能元件33的容值足夠小，使得在非工作模式下，藉由壓電元件1對電容性儲能元件33的充電及電阻36對電容性儲能元件33的放電，電容性儲能元件33的電壓實質上追隨壓電元件1之殘餘振動幅度的變化(即在壓電元件1之殘餘振動幅度大時，電容性儲能元件33所能擷取到的能量較大，使得其電壓也跟著較大，而在壓電元件1之殘餘振動幅度小時，電容性儲能元件33所能擷取到的能量較小，其電壓也跟著較小)，並在壓電元件1之殘餘振動結束後降至實質上為零。Y. P. Liu等人所揭露之能量擷取裝置則因利用了容值相當大的電容性儲能元件而不具備這樣的特性。

參閱圖1與圖3，壓電元件1應用於具有一等效質量塊(圖未示)的一系統(圖未示)，壓電元件1的單模統御方程式(single-mode governing equation)如下所示：

其中，u 是等效質量塊的位移(displacement)，M 是等效質量塊的質量(mass)，D 是系統的等效機械阻尼(mechanical damping)，K 是系統的等效韌度(stiffness)，f 是等效質量塊所受的外力，n 是系統的力電耦合係數(electro-mechanical ratio)，v _p 是壓電元件1的電壓。

在短路狀態下(即v _p =0)，壓電元件1的動態在頻域中的表示如下所示：

其中，ω 是角頻率，ω _r 是共振角頻率，是壓電元件1的位移在共振頻率下的幅度、F _M 是壓電元件1所受的外力在共振頻率下的幅度。

在非工作模式下，壓電元件1的電壓由電容性儲能元件33及開關單元34決定。根據傅利葉理論，壓電元件1的一階諧波電壓如下所示：

其中，V _DC 是電容性儲能元件33的電壓，d 是開關單元34的開關341~344的工作週期(duty cycle)，signe ()是反應壓電元件1的電流變化的訊號函數。

將式(5)代入式(1)，壓電元件1的動態在頻域中的表示如下所示：

其中，U _M 是壓電元件1的位移在共振頻率下的振幅。

比較式(7)與式(4)，壓電元件1的位移的理論衰減如下所示：

根據式(8)，當下式成立時，壓電元件1的殘餘振動能被抑制，否則，壓電元件1的殘餘振動會受到激勵：

由於電容性儲能元件33的電壓實質上追隨壓電元件1之殘餘振動幅度的變化，因此較佳地電容性儲能元件33的電壓的最大值能符合式(9)，且愈接近上限抑制效果愈好，且電容性儲能元件33的容值可以根據下式來推算：

其中，C 是電容性儲能元件33的容值，I (t )是電容性儲能元件33的電流。

較佳地，電容性儲能元件33的容值不超過壓電元件1的等效電路的靜態電容的容值的1/10。較佳地，電容性儲能元件33的容值落在1pF~10μF的範圍內。

舉例來說，在本實施例應用於抑制懸臂樑(cantilever beam)系統之壓電元件之殘餘振動的情況下，電容性儲能元件33的容值約為μF等級，且不以此為限，隨懸臂樑系統的參數及壓電元件的尺寸而定。

參閱圖2與圖3，與習知的殘響控制電路3相比，本實施例的殘響控制電路3藉由使用容值小的電容性儲能元件33來取代直流電源31，當壓電元件1的振動幅度降至很小時，電容性儲能元件33的電壓也跟著降至很小，因此電容性儲能元件33的能量不會透過開關單元34來干擾壓電元件1的振動收斂，使得壓電元件1的殘餘振動能順利收斂到實質上靜止，確實能達成本發明之目的。

第二較佳實施例

參閱圖6，本發明夠抑制一壓電元件5之殘餘振動的控制裝置之第二較佳實施例包含一電容性儲能元件61、一開關單元62、一供電單元63、一變壓器64及一控制單元65。

壓電元件5具有一第一端及一第二端。電容性儲能元件61具有一第一端及一第二端，且在本實施例中是一電容。開關單元62包括依序串聯成環型的一第一開關621、一第二開關622、一第三開關623及一第四開關624。第一與第四開關621、624間的一共同點電連接到電容性儲能元件61的第一端。第二與第三開關622、623間的一共同點電連接到電容性儲能元件61的第二端。第一與第二開關621、622間的一共同點及第三與第四開關623、624間的一共同點透過變壓器64分別電連接到壓電元件5的第一端及第二端。供電單元63包括一電感631、一個二極體632及一開關633。電感631具有一電連接到電容性儲能元件61之第一端的第一端，及一第二端。二極體632具有一電連接到電容性儲能元件61之第二端及一外部直流電源7之負端的陽極，及一電連接到電感631之第二端的陰極。開關633電連接在電感631的第二端及外部直流電源7的正端間。控制單元65電連接到開關單元62及供電單元63。

參閱圖6與圖7，在圖6中，波形91說明開關633的狀態，波形92說明第一與第三開關621、623的狀態，波形93說明第二與第四開關622、624的狀態，波形94說明壓電元件5的電流，在波形91~93中，高準位表示導通，低準位表示不導通。控制裝置可操作於一工作模式及一非工作模式。在工作模式下，控制單元65控制開關單元62及供電單元63，使得開關633導通，第一與第二開關621、622交替導通，第三與第四開關623、624交替導通，且第一與第三開關621、623同時導通，此時，供電單元63自該電感631的第一端提供一直流電壓給電容性儲能元件(即對電容性儲能元件61充電)，開關單元62輸出一振幅與該電容性儲能元件61之電壓相等的驅動信號，此驅動信號經變壓器64放大後用於驅使壓電元件5產生振動，在第一與第三開關621、623導通時，壓電元件5的電流為負(即從壓電元件5的第二端往壓電元件5的第一端流動)，而在第二與第四開關622、624導通時，壓電元件5的電流為正(即從壓電元件5的第一端往壓電元件5的第二端流動)。

在非工作模式下，控制單元65控制開關單元62及供電單元63，使得開關633不導通，第一與第二開關621、622交替導通，第三與第四開關623、624交替導通，第一與第三開關621、623同時導通，且在非工作模式下第一與第二開關621、622交替導通的相位與在工作模式下第一與第二開關621、622交替導通的相位實質上相差180度，導致供電單元63停止自該電感631的第一端提供直流電壓給電容性儲能元件61(即停止對電容性儲能元件61充電)，開關單元62在第一與第三開關621、623導通時，對變壓器64提供一個相當於正的電容性儲能元件61電壓的電壓(此時壓電元件5的電流為正)，而在第二與第四開關622、624導通時，對變壓器64提供一個相當於負的電容性儲能元件61電壓的電壓(此時壓電元件5的電流為負)，變壓器64放大接收到的電壓後提供給壓電元件5，以抑制壓電元件5的殘餘振動。

在本實施例中，變壓器64可以被省略，在這種情況下，開關單元62的第一與第二開關621、622間的共同點及第三與第四開關623、624間的共同點適用於分別電連接到壓電元件5的第一端及第二端。

參閱圖6與圖8，波形85說明電容性儲能元件61的電壓。值得注意的是，電容性儲能元件61具有一容值，該容值足以使得在工作模式下，電容性儲能元件61被供電單元63預充電，而在非工作模式下，藉由壓電元件1對電容性儲能元件61的放電，電容性儲能元件61的電壓實質上追隨壓電元件5之殘餘振動振幅的變化，並在壓電元件5之殘餘振動結束後降至實質上為零，如此一來，可以避免壓電元件5的振動收斂受到干擾，使得壓電元件5的殘餘振動能順利收斂到實質上靜止。

由於電容性儲能元件61的電壓實質上追隨壓電元件5之殘餘振動幅度的變化，因此較佳地電容性儲能元件61的電壓的最大值能符合式(9)，且愈接近上限抑制效果愈好，且電容性儲能元件61的容值可以根據式(10)來推算。較佳地，電容性儲能元件61的容值不超過壓電元件5的等效電路的靜態電容的容值的1/10。較佳地，電容性儲能元件61的容值落在1pF~10μF的範圍內。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1．．．壓電元件

2．．．驅動電路

3．．．殘響控制電路

31．．．直流電源

32．．．開關單元

321~324．．．開關

33．．．電容性儲能元件

34．．．開關單元

341~344．．．開關

35．．．二極體

36．．．電阻

37．．．電感

38．．．電流感測器

39．．．控制單元

4．．．切換電路

5．．．壓電元件

61．．．電容性儲能元件

62．．．開關單元

621~624．．．開關

63．．．供電單元

631．．．電感

632．．．二極體

633．．．開關

64．．．變壓器

65．．．控制單元

7．．．外部直流電源

圖1是一方塊圖，說明一種能夠抑制一壓電元件之殘餘振動的控制裝置；

圖2是一電路圖，說明習知的一種運用於圖1之控制裝置的殘響控制電路；

圖3是一電路圖，說明本發明能夠抑制一壓電元件之殘餘振動的控制裝置之第一較佳實施例的一殘響控制電路；

圖4是一波形圖，說明壓電元件的電流及第一較佳實施例的一開關單元的狀態；

圖5是一波形圖，說明第一較佳實施例的一電容性儲能元件的電壓；

圖6是一電路圖，說明本發明能夠抑制一壓電元件之殘餘振動的控制裝置之第二較佳實施例；

圖7是一波形圖，說明第二較佳實施例的一供電單元與一開關單元的狀態及壓電元件的電流；及

圖8是一波形圖，說明第二較佳實施例的一電容性儲能元件的電壓。

1．．．壓電元件

3．．．殘響控制電路

33．．．電容性儲能元件

34．．．開關單元

341~344．．．開關

35．．．二極體

36．．．電阻

37．．．電感

38．．．電流感測器

39．．．控制單元

Claims (11)

1. 一種能夠抑制一壓電元件之殘餘振動的控制裝置，該壓電元件應用於具有一等效質量塊的一系統，該控制裝置包含：一電容性儲能元件；及一開關單元，電連接到該電容性儲能元件，及適用於電連接到該壓電元件；該控制裝置可操作於一非工作模式，在該非工作模式下，該開關單元受控制進行切換，以使該壓電元件對該電容性儲能元件進行充電及放電中的至少一者，並將該電容性儲能元件的電壓提供給該壓電元件，以抑制該壓電元件的殘餘振動；其中，該電容性儲能元件具有一容值，該容值足以使得在該非工作模式下，該電容性儲能元件的電壓實質上追隨該壓電元件之殘餘振動幅度的變化，並在該壓電元件之殘餘振動結束後降至實質上為零；其中，該電容性儲能元件的電壓符合下式： 其中，V _DC 是該電容性儲能元件的電壓，n 是該系統的力電耦合係數，F _M 是該等效質量塊所受的外力在共振頻率下的幅度，d 是該開關單元的工作週期。
2. 根據申請專利範圍第1項所述之控制裝置，壓電元件具有一第一端及一第二端，其中：該電容性儲能元件具有一第一端及一第二端；該開關單元包括依序串聯成環型的第一、第二、第三及第四開關，該第一與第四開關間的一共同點及該第二與第三開關間的一共同點分別電連接到該電容性儲能元件的第一與第二端，該第一與第二開關間的一共同點及該第三與第四開關間的一共同點適用於分別電連接到該壓電元件的第一端及第二端；在該非工作模式下，該開關單元受控制，使得該第一與第二開關交替導通，該第三與第四開關交替導通，且該第一與第三開關同時導通。
3. 根據申請專利範圍第2項所述之控制裝置，更包含：一個二極體，電連接在該開關單元的第一與第四開關間的共同點及該電容性儲能元件間，且能建立從該開關單元的第一與第四開關間的共同點到該電容性儲能元件的一電流路徑；及一電阻，與該電容性儲能元件並聯。
4. 根據申請專利範圍第3項所述之控制裝置，更包含：一電感，電連接在該開關單元的第一與第二開關間的共同點及該壓電元件間。
5. 根據申請專利範圍第4項所述之控制裝置，更包含：一電流感測器，電連接在該電感與該壓電元件間；及一控制單元，電連接到該開關單元及該電流感測器；在該非工作模式下，該電流感測器偵測該壓電元件之電流，該控制單元在該壓電元件的電流從該壓電元件的第一端往該壓電元件的第二端流動時，使該開關單元的第一與第三開關導通、第二與第四開關不導通，而在該壓電元件的電流從該壓電元件的第二端往該壓電元件的第一端流動時，使該開關單元的第二與第四開關導通、第一與第三開關不導通。
6. 根據申請專利範圍第5項所述之控制裝置，其中，在該非工作模式下，該控制單元使該第一與第二開關的導通期間相隔一預設時間、該第三與第四開關的導通期間相隔該預設時間，該預設時間足夠讓該電感將該壓電元件充電到一預設電壓。
7. 根據申請專利範圍第2項所述之控制裝置，更包含：一供電單元，電連接到該電容性儲能元件；該控制裝置更可操作於一工作模式，在該工作模式下，該供電單元受控制以提供一直流電壓給該電容性儲能元件，該開關單元受控制，使得該第一與第二開關交替導通，該第三與第四開關交替導通，且該第一與第三開關同時導通，從而該開關單元輸出一驅動信號來驅使該壓電元件產生振動；在該非工作模式下，該供電單元受控制以停止提供該直流電壓給該電容性儲能元件，該開關單元受控制，使得在該非工作模式下該第一與第二開關交替導通的相位與在該工作模式下該第一與第二開關交替導通的相位實質上相差180度。
8. 根據申請專利範圍第7項所述之控制裝置，其中，該供電單元包括：一電感，具有一電連接到該電容性儲能元件之第一端的第一端，及一第二端；一個二極體，具有一電連接到該電容性儲能元件之第二端的陽極，及一電連接到該電感之第二端的陰極，該陽極更適用於電連接到一外部直流電源的負端；及一開關，電連接在該電感的第二端及該外部直流電源的正端間；在該工作模式下，該供電單元受控制使得該開關導通，從而自該電感的第一端提供該直流電壓給該電容性儲能元件；在該非工作模式下，該供電單元受控制使得該開關不導通，從而停止自該電感的第一端提供該直流電壓給該電容性儲能元件。
9. 根據申請專利範圍第8項所述之控制裝置，更包含：一變壓器，電連接在該開關單元及該壓電元件間，用於放大該開關單元所輸出的信號以提供給該壓電元件。
10. 根據申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中，該電容性儲能元件的容值不超過該壓電元件的等效電路的靜態電容的容值的1/10。
11. 根據申請專利範圍第1項所述之控制裝置，其中，該電容性儲能元件的容值落在1pF~10μF的範圍內。